[论文解读] Heavily electron-doped electronic structure and isotropic superconducting gap in AxFe2Se2 (A=K,Cs)

Yi-Ling Zhang, Lei Yang+11 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2010

Iron-based superconductors research被引用 203

一句话总结

本研究利用角分辨光电子能谱（ARPES）研究了重电子掺杂的AxFe₂Se₂（A=K, Cs）的电子结构和超导能隙，结果仅发现电子费米口袋，且超导能隙为约10.3 meV的各向同性s波配对。在布里渊区中心附近缺乏空穴费米口袋，挑战了自旋密度波或s±配对对称性中所需的费米面嵌套机制，表明在这一高度电子掺杂的铁基超导体中，更常规的s波配对机制可能占主导地位。

ABSTRACT

The low energy band structure and Fermi surface of the newly discovered superconductor, AxFe2Se2 (A=K,Cs), have been studied by angle-resolved photoemission spectroscopy. Compared with iron pnictide superconductors, AxFe2Se2 (A=K,Cs) is the most heavily electron-doped with Tc~30 K. Only electron pockets are observed with an almost isotropic superconducting gap of ~10.3 meV, while there is no hole Fermi surface near the zone center, which indicates the inter-pocket hopping or Fermi surface nesting is not a necessary ingredient for the unconventional superconductivity in iron-based superconductors. Thus, the sign changed s$_\pm$ pairing symmetry, a leading candidate proposed for iron-based superconductors, becomes conceptually irrelevant in describing the superconducting state here. A more conventional s-wave pairing is a better description.

研究动机与目标

• 研究迄今为止发现的电子掺杂程度最高的铁基超导体AxFe₂Se₂（A=K, Cs）的电子结构和超导能隙。
• 确定费米面嵌套或电子间散射是否为铁基材料中非常规超导性的关键机制。
• 通过测量能隙各向异性，评估s±配对对称性在这些高度电子掺杂体系中的有效性。
• 评估AxFe₂Se₂中的超导态更符合传统s波还是非传统s±配对对称性。
• 考察电子费米面在缺乏空穴费米口袋的情况下，如何维持强关联超导性的机制。

提出的方法

• 采用He-Iα紫外光源（21.2 eV）和Scienta R4000电子能谱仪进行角分辨光电子能谱测量，能量分辨率保持在9–12 meV，角度分辨率达0.3°。
• 在超高真空环境（~5×10⁻¹¹ torr）下对单晶进行原位解理，以保持表面质量并避免污染。
• 在不同温度（最低至10 K）下测量光电子发射强度图和能量分布曲线（EDCs），以探测超导能隙和谱权重演化。
• 通过识别费米能级附近相干峰位置，利用对称化EDCs提取超导能隙幅值。
• 在δ费米口袋的M点附近和κ能带的Γ点处，测绘动量依赖的能隙结构，以评估能隙各向异性。
• 通过X射线衍射和能谱色散X射线（EDX）光谱确认K₀.₈Fe₂Se₂和Cs₀.₈Fe₂Se₂晶体的化学计量比和实际组成。

实验结果

研究问题

• RQ1 AxFe₂Se₂（A=K, Cs）中缺乏空穴费米面是否意味着费米面嵌套在驱动非常规超导性中的作用被否定？
• RQ2 AxFe₂Se₂中的超导能隙是各向同性还是各向异性的？这对配对对称性有何启示？
• RQ3 在仅存在电子口袋的体系中，作为铁基超导体主要候选机制的s±配对对称性是否仍可维持？
• RQ4 测得的超导能隙大小（~10.3 meV）与BCS理论预测相比如何？这对配对机制有何启示？
• RQ5 观测到的电子结构在多大程度上支持强关联、同轨道s波配对图像，而非弱关联、异轨道s±配对机制？

主要发现

• AxFe₂Se₂（A=K, Cs）是迄今为止铁基超导体中电子掺杂程度最高的体系，其在布里渊区中心附近无空穴费米面。
• 仅观测到电子费米口袋，且超导能隙为各向同性，幅值约为10.3 meV，对应于~4kBTc。
• 在Γ点（κ能带）处的能隙显著较小（~4 meV），远小于M点附近（δ能带）的能隙，与s±配对对称性预期的coskₓcoskᵧ依赖关系相违背。
• 缺乏空穴费米口袋及各向同性能隙结构，排除了电子间散射或嵌套作为该体系超导性的关键机制。
• 数据强烈表明，该体系的超导态更宜用传统s波配对对称性描述，而非s±配对对称性。
• 在缺乏空穴费米面的情况下仍表现出强关联超导性，暗示电子间跃迁可能并非主导配对机制，支持强关联、同轨道配对机制。